Öde och Speciering av arsenik och kvicksilver i akviferer är närbesläktad med physio-kemiska förhållanden och mikrobiell aktivitet. Här presenterar vi en ursprungliga experimentella kolumn setup som härmar en akvifär och möjliggör en bättre förståelse av spårämnet biogeokemi under syrefria förhållanden. Två exempel presenteras, kombinera geokemiska och mikrobiologiska metoder.
Omvandling, spridning och artbildning spårelement (TEs), såsom arsenik (As) och kvicksilver (Hg), i akviferer är närbesläktade physio-kemiska förhållanden, såsom redox potential (Eh) och pH, men också att mikrobiella aktiviteter som kan spela en direkt eller indirekt roll på artbildning eller rörlighet. Vissa bakterier kan faktiskt direkt oxidera As(III) till As(V) eller minska As(V) till As(III). Bakterier är också starkt engagerade i Hg Cykling, antingen genom dess metylering, bilda nervgift monometylfumarat kvicksilver, eller via dess förminskning till elementärt Hg °. Både som öden och Hg är också starkt kopplad till jord eller akvifer sammansättning; faktiskt, som och Hg kan binda till organiska föreningar eller (oxy) hydroxider, som kommer att påverka deras rörlighet. I sin tur bakteriell aktiviteter såsom järn (oxy) hydroxid minskning eller mineralisering av organiskt material kan indirekt påverka och Hg bindning. Förekomsten av sulfat/svavelväte kan också starkt påverka dessa specifika element genom bildandet av komplex såsom thio-arcenater med som eller metacinnabar med Hg.
Således många viktiga frågor har tagits upp på ödet och Speciering av som och Hg i miljön och hur du begränsar deras giftighet. På grund av sin reaktivitet mot akvifer komponenter är det dock svårt att klart skilja de biogeokemiska processer som inträffar och deras olika påverkan på ödet för dessa TE.
För att göra så, vi utvecklat ett original, experimentell, kolumn setup som härmar en akvifer med som – eller Hg-järn-oxid rika områdena kontra järn utarmat områden, möjliggör en bättre förståelse av TE biogeokemi under syrefria förhållanden. Följande protokoll ger steg för steg instruktioner för kolumn struktur antingen för som eller Hg, samt ett exempel med enligt järn och sulfat minska villkor.
Förstå och förutsäga spårämne (TE) rörlighet och biogeokemi i miljön är nödvändiga för att övervaka, utveckla och tillämpa lämpliga ledningsbeslut för förorenade platser. Detta gäller särskilt giftiga TEs såsom arsenik (As) och kvicksilver (Hg). Omvandling, spridning och artbildning av dessa TEs i jord eller grundvattenmagasin är närbesläktade fysikalisk-kemiska förhållanden, såsom Eh och pH, men också att mikrobiella aktiviteter som kan spela antingen en direkt roll på artbildning eller en indirekt roll på rörlighet.
Vissa bakterier kan faktiskt direkt oxidera As(III) till As(V) eller minska As(V) till As(III). Detta påverkar som toxicitet, eftersom As(III) är den giftigaste formen av, och rörlighet, eftersom As(III) är mer rörliga än As(V), som lätt kan adsorbera till järnhydroxider (oxy) eller organiskt material1,2. Jämväl, bakterier är starkt involverade i kvicksilver Cykling, antingen genom dess metylering, främst av sulfat och järn minska bakterier3,4, bilda nervgift monometylfumarat kvicksilver (lätt bioaccumulated i livsmedelskedjan), eller genom dess förminskning till flyktiga elementärt Hg (Hg °)5.
Både som och Hg öden är också starkt kopplad till jord eller akvifer sammansättning, sedan föreningar såsom organiskt material eller järnhydroxider (oxy) kan påverka deras kvarstad och biotillgänglighet. As(V) adsorberas väl till järn (oxy) hydroxider6, medan Hg har en mycket hög affinitet för organiskt material (OM; främst för thiol grupper) men också för kolloidal järn eller mangan (oxy) hydroxider i OM utarmat miljöer7,8 , 9 , 10 , 11.
Bakteriell verksamhet kan sedan påverka ödet för TEs adsorberas till (oxy) hydroxider eller organiskt material genom minskning av järnhydroxider (oxy) eller mineraliseringen av organiskt material. Direkta järn minskning av bakterier är dominerande smittvägen för järn minskning av svavel utarmat zoner12,13, Fe(III) används som en terminal Elektronacceptor, indirekt, Fe(III) kan minskas till Fe(II) av svavelväte bildas av en bakteriell sulfat minskning14. Dessutom kan förekomsten av sulfat också ändra Hg och artbildning genom bildandet av komplex som thio-arcenater15 med som eller metacinnabar med Hg.
Således, en bättre förståelse för effekterna av järn och sulfat cykling på ödet för TE, såsom Hg och som, kunde hjälpa oss att bättre hantera förorenade områden och upprätthålla markens och vattnets kvalitet. Data kan också bidra till att förstärka befintliga metall-rörlighet modeller. Mikrobiell Fe (III)-minskning16,17,18 kan orsaka desorptionen av TE. Teoretiskt, indirekt minskning av järnhydroxider (oxy) av svavelväte produceras av mikrobiell minskning av sulfat kan också påverka TE rörlighet. Men studeras omfattningen och kinetik av dessa reaktioner generellt i homogen satssystem eller batch mikrokosmer16,18,19,20. Nackdelen med batch experimenten är avsaknaden av dissociation av de förekommande fenomen; faktiskt, aktiviteten är baserad på och begränsas av resurserna som finns i batch och endast ger ett slutresultat av förskjutningarna i artbildning och adsorption. En kolumn metod möjliggör förnyelse av inflowing media och övervakning av ödet för TE över tid och rum. Dessa villkor är mer realistisk jämfört med en akvifer, där verkliga fenomen är nära kopplade till kontinuerlig infiltration villkor. Dessutom heterogena järn (oxy) hydroxid förekomst i akvifer sediment är gemensamma21,23, och rumsliga förändringar i den mineralogiska och kemiska sammansättningen av de fasta faserna verkligen driver mikrobiella aktiviteter .
För att belysa påverkan av dessa heterogeneitiesna på geo-mikrobiella fenomen och ödet för järn-associerade TE, utvecklade vi ett laboratorium, en ständigt matad kolumn representerar en förenklad modell akvifer. Kolumnen fylls för att skapa en järn-utarmat zon vid kolumn ingången och en järnrik zon överst. Regelbunden provtagningsportar aktivera oss att studera varje zon individuellt samt gränssnitt-associerade fenomen. Ett exempel på tillämpningen av experimentella enheten för studier av Hg öde och artbildning är redan tillgänglig24. Här ger vi en detaljerad beskrivning av den experimentella setup och ett andra exempel på dess tillämpning som fokuserar på beteende som i förorenade vattentäkter.
Den experimentella kolumn setup visade sig vara en bekväm laboratoriet enheten att studera anaerob biogeokemiska processer i kontinuerlig villkor. Kontinuerlig spalt system tillåter arbetar i förhållanden närmare dem i verkliga akviferer än flytgödsel satssystem eller mikrokosmos. Kontinuerliga system kan simulera rörelsen av grundvattnet genom akvifer sediment.
Det mest kritiska steget inom protokollet förbereder de TE-järnhydroxider (oxy) och blandningen med kiselgel och sand, som …
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete nansierades av BRGM, postdoktorala bidrag från de Conseil Général du Loiret och Carnot Institute. Vi erkänner också tacksamt det ekonomiska stödet till projektet PIVOTERNA av Région Centre – Val de Loire.
Glass columns | Beaucaverre, France | Specific request | columns were composed of 3 separate pieces, the main column core with the cooling jacket and the 5 sampling ports (size GL14 with olive) and a top and bottom piece that fits to the main column body and is held in place with a silicone joint and screw (RIN F 40×38 & SVL 42). note: this design was discussed directly with the company. We recommend to find a local glazier. |
Septa PTFE/silicone diam 20mm | Sigma-Aldrich | 508608 | |
PTFE tubing ID 3mm | VWR | 228-0745 | |
Peristaltic pump | Dominique Dutsher SAS | 66493 | |
Peristaltic pump tubing LMT 55 | VWR | 224-2250 | Tygon® LMT 55 |
Fontainbleau sand D50=209 µm | SIBELCO, France | ||
N2 for bubbling | Air Liquide, France | ||
Gamma iradiation | Ionisos, Dagneux, France | ||
Automatic Mercury Analyser (AMA 254, ) | Courtage Analyses, France | ||
Varian SpectrAA 300 Zeeman | Agilent | ||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Chemicals | |||
HNO3 Supra pur | VWR | 1.00441.1000 | Producer: Merck |
HCL 30% Supra pur | VWR | 1.00318.1000 | Producer: Merck |
Hg(NO3)2 | Merck | 516953 | |
As2O3 | Merck | 202673 | |
FeCl3-6H2O | Merck | 207926 | |
silica gel | Sigma-Aldrich | 336815-500G |